CN107107228A - 电弧点焊接方法及执行电弧点焊接的焊接装置 - Google Patents

电弧点焊接方法及执行电弧点焊接的焊接装置 Download PDF

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Abstract

提供一种电弧点焊接方法及执行电弧点焊接的焊接装置，在电弧点焊接的背面焊道中能得到规定的焊道径及堆高高度，能够得到TSS和CTS两者都强度良好的焊接接头。将含碳0.2质量％以上的板厚t的钢板(1)与含碳0.2质量％以上且板厚为t以上的至少1片钢板(1)重叠地配置，将具备非接触部和将下侧钢板的背面与上述非接触部维持为非接触状态的接触部的背衬金属(4)配置为，使上述接触部在距背面焊道的等价圆中心超过3t的位置与下侧钢板(1)的背面接触，将电弧发生和焊丝及上侧钢板间的焊接电压为10V以下的短路通电交替地反复进行，以使上述短路通电的期间在每1周期中为超过30％且不到60％。

Description

电弧点焊接方法及执行电弧点焊接的焊接装置
技术领域
本发明涉及将由高强度钢构成的薄钢板的重叠部进行电弧点焊接的方法及执行电弧点焊接的焊接装置。
背景技术
近年来，在汽车领域，为了车体的轻量化及提高碰撞安全性，高强度钢板的使用在增加，使用的钢板的强度也逐渐上升。在由这样的高强度钢构成的车体的组装及零件的安装等的工序中，主要使用通过电阻焊接的点焊接。
通过在剪切方向上加载拉伸载荷而测量的拉伸剪切强度(TSS)、和在剥离方向上加载拉伸载荷而测量的十字拉伸强度(CTS)来对点焊接部的接合强度进行评价。已知该TSS和CTS随着钢板的拉伸强度的增加而以图16所示那样的关系变化。即，相对于TSS随着钢板的拉伸强度的上升而提高，CTS为在钢板的拉伸强度为590MPa左右饱和、随着钢板的拉伸强度成为其以上反而下降的特性。
在将拉伸强度超过590MPa那样的高强度钢板进行了点焊接的情况下，随着母材钢板的淬火性的改善，发生熔核的韧性及延展性的下降。此外，在加载了点焊接的CTS那样的剥离载荷的情况下，钢板越成为高强度，应力越容易集中在焊接金属(熔核)端部。进而，特别在加压力较高的情况或发生分散的情况下，点焊接部的钢板厚度相比周围变薄，对应于载荷加载而应力水平进一步上升。由于这些原因，在点焊接中，在钢板强度较高的情况下，焊接部的CTS下降。
相对于此，在电弧点焊接中，由于能够贯通钢板而焊接，在焊接金属上形成堆高部(日文：余盛部)，所以能够得到比点焊接高的接头强度。
在专利文献1中，公开了一种如下的电弧点焊接接头，通过将焊道的焊道径用与钢板板厚的关系控制在适当范围中，由此能够得到较高的CTS与TSS双方，实现接头强度良好的焊接接头，所述焊道形成为，熔融到叠合的高强度钢板的背面侧并从钢板的各表面突出。
但是，焊道形状根据钢材成分及钢材板厚等而变化，进而，背面的焊道在重力的影响下而垂下，所以难以稳定地控制焊道形状。
作为抑制背面焊道的垂下的手段，在专利文献2中公开了一种使用背衬金属的方法。在专利文献2中，为了防止背衬金属与焊接金属的熔敷，提出了在背衬金属的表面部分上设置凹部、抑制向背衬金属的电弧放电的发生的方法。
在专利文献2的图1中，记载了在重叠的钢板的背侧形成与背衬金属的凹部相同大小的焊道。但是，本发明的发明者们使用在专利文献2中公开的背衬金属尝试了电弧点焊接时的背面焊道形状的控制，但不能得到在专利文献1中公开那样的焊道径及堆高(日文：余盛り)的高度。
在专利文献3的图2中，公开了一种凹设有具备能够将两片减振的焊接部附近背面冷却的宽度的气体供给槽的装置，以便能够进行电弧焊接时的气体环境形成、在将两片减振钢板对接焊接时发生的树脂气体的排出、和两片减振钢板的焊接部端缘的附近的冷却。
此外，在专利文献4的图3等中，公开了一种将两片钢板重叠置于承接台上、进行电弧点焊接的装置。
但是，专利文献3、4都没有公开控制焊道的隆起高度等的焊道的形状的具体的方法。因此，上述装置是否具有能够形成为了提高焊接部的强度所需要的焊道形状这一功能，并非自明的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2013－010139号公报
专利文献2：特开平06－039542号公报
专利文献3：特开平5－104250号公报
专利文献4：特开平2－59173号公报
发明内容
发明所要解决的课题
因此，本发明鉴于这样的实际情况，目的是提供一种在电弧点焊接的背面焊道中能够得到规定的焊道径及堆高高度、能够得到TSS和CTS双方的强度良好的焊接接头的电弧点焊接方法及执行该电弧点焊接的焊接装置。
用于解决课题的手段
本发明的发明者们得到了以下认识：如果在钢板背面上设置背衬金属而进行焊接，则因为由背衬金属带来的热排散，熔融区域的成长被阻碍。所以，为了扩大钢板的背面焊道，对抑制熔融区域附近的从钢板背面向背衬金属的热传导的方法进行了研究，结果发现了限定熔融区域附近的背衬金属与钢板背面的接触位置以便能够在焊接部分与背衬金属之间形成间隙的方法。
此外，除了起因于熔融金属本身的质量的重力以外，起因于由电弧焊接时的电弧等离子气流的喷吹压力的压力即电弧压力也给背面焊道的垂下的程度带来影响。所以，本发明的发明者们发现，通过将电弧焊接时的电弧发生时间的比率抑制在一定的范围中，能够减轻该电弧焊接时的平均的电弧压力，能够防止电弧点焊接初期的焊接金属的脱落，完成了本发明。
本发明的主旨如以下所述。
(1)一种电弧点焊接方法，将含碳0.2质量％以上的多个钢板重叠配置，再将背衬金属与和焊炬相反侧的下侧钢板接触配置而重叠焊接，其特征在于，上述背衬金属具备对置于上述下侧钢板且不与上述下侧钢板接触的非接触部、和与上述下侧钢板接触的接触部，以使上述接触部在距背面焊道的等价圆中心超过3t的位置与下侧钢板接触的方式配置背衬金属；交替地连续反复进行电弧发生及短路通电，以使焊接电压为10V以下的短路通电时间在通电每1周期中为超过30％且不到60％。其中，t为上述多个钢板中的板厚最薄的钢板的板厚。
(2)如(1)所述的电弧点焊接方法，其特征在于，将电弧发生及短路通电交替地连续反复进行的电弧点焊接期间中的平均焊接电压(单位：V)/平均焊接电流(单位：A)的值是0.07～0.10(V/A)。
(3)如(1)或(2)所述的电弧点焊接方法，其特征在于，设1周期为5msec～20msec，在该1周期的期间中进行电弧发生及短路通电。
(4)如(1)～(3)中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，上述接触部将上述下侧钢板的背面与上述非接触部的间隙维持为0.2t～3t。
(5)如(1)～(4)中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，形成具有3t～10t的等价圆的焊道径、并且具有0.2t～3t的堆高(日文：余盛り)高度的背面焊道。
(6)如(1)～(5)中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，使上述接触部与上述下侧钢板的背面的接触为点状接触、线状接触及面状接触的至少某种。
(7)如(1)～(6)中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，当形成上述背面焊道的等价圆的焊道径超过5t的背面焊道时，将上述背衬金属用铜或铜合金形成，使上述接触部与上述下侧钢板的背面的接触为面状接触。
(8)如(1)～(6)中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，当形成上述背面焊道的等价圆的焊道径超过5t的背面焊道时，将上述背衬金属用钢材形成，使上述接触部与上述下侧钢板的背面的接触为面状接触。
(9)如(1)～(8)中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，使上述接触部与上述下侧钢板的背面的接触面积为10cm2以下。
(10)一种电弧点焊接装置，执行(1)～(9)中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，其特征在于，具备背衬金属，所述背衬金属具有：非接触部，从上述下侧钢板的背面隔离而配置；接触部，在距上述背面焊道的等价圆中心超过3t的位置与下侧钢板的背面接触，在上述下侧钢板的背面与上述非接触部之间维持0.2t～3t的间隙。
(11)如(10)所述的电弧点焊接装置，其特征在于，上述电弧点焊接装置是具备焊炬和上述背衬金属的焊接机器人。
发明的效果
根据本发明，由于在各种各样成分的高强度钢板的焊接中，焊接部的韧性及延展性都不会下降，能够得到TSS和CTS双方都良好的电弧点焊接接头，所以通过在汽车用零件的制造及车体的组装等的工序中应用本发明，能够制造强度更好的部件，能够有利于汽车的安全性提高等。
附图说明
图1是表示通过气体保护金属极电弧焊接的电弧点焊接方法的一例的图。
图2是表示不使用背衬金属的电弧点焊接方法的一例的图。
图3是表示使用没有凹陷的背衬金属的电弧点焊接方法的一例的图。
图4是表示使用有凹陷的背衬金属的电弧点焊接方法的一例的图。
图5是表示使用将凹陷的直径扩大的背衬金属的电弧点焊接方法的一例的图。
图6是表示上侧钢板的焊接部位的贯通孔的有无的一例的图。图6中(a)是表示有贯通孔、图6中(b)是表示无贯通孔的图。
图7是表示从垂直截面观察的形状是长方体状的有凹陷的背衬金属的一例的图。图7中(a)是表示背衬金属的平面图和垂直剖视图、图7中(b)是表示使用图7中(a)的背衬金属的电弧点焊接后的剖视图的图。
图8是表示有半球状的凹陷的背衬金属的一例的图。图8中(a)是表示背衬金属的平面图和垂直剖视图、图8中(b)是表示使用图8中(a)的背衬金属的电弧点焊接后的剖视图的图。
图9是表示背衬金属的一例的图。图9中(a)是表示具有与钢板背面点状接触的接触部的背衬金属的平面图和侧视图、图9中(b)是表示具有与钢板背面线状接触的接触部的背衬金属的平面图和垂直剖视图的图。
图10是表示具有与钢板背面面状接触的接触部的背衬金属的一例的图。图10中(a)是表示具有矩形接触面的接触部的背衬金属的平面图和垂直剖视图、图10中(b)是表示具有有凹部的矩形状接触面的接触部的背衬金属的平面图和垂直剖视图。
图11是表示电弧点焊接装置的一例的图。
图12是表示背衬金属的设置角度调整机构的一例的图。
图13是表示上侧钢板的推压机构的一例的图。
图14是表示十字拉伸试验用的试验片的图。
图15是表示剪切拉伸试验用的试验片的图。
图16是表示与钢板的拉伸强度对应的拉伸剪切强度(TSS)和十字拉伸强度(CTS)的关系的图。
图17是表示背面焊道没有充分融合在钢板背面上的状态的概略剖视图。
图18中(a)是表示通过标准的电弧焊接法、熔融金属熔落在钢板背面上而与背衬金属的表面接触的状态的概略剖视图。图18中(b)是表示通过本发明的电弧焊接方法、电弧点焊接初期的熔融金属的熔落被防止的状态的概略剖视图。
图19是表示使用CMT电源的电弧焊接中的、电压波形及电流波形与电弧发生时间及短路通电时间的关系的曲线图。
图20是表示焊接时的短路时间率与融合不良发生的关系的曲线图。
图21是在钢管内固定着背衬金属的电弧点焊接方法的一例，是焊接部分的放大剖视图。
具体实施方式
图1是表示气体保护金属极电弧焊接的电弧点焊接方法的一例的图。
这样，电弧点焊接方法是将要焊接的钢板1两片重叠地配置、从相对于板面垂直或大致垂直地配置的气体保护金属极电弧焊炬2的焊丝3产生电弧、一边将焊丝3供给一边将两片钢板相互焊接的方法。为了确保适当的焊接部强度，需要形成规定的焊道径W、堆高(日文：余盛り)高度h。
本发明的要件为：在这样的电弧点焊接方法中，当设焊炬侧的钢板为上侧钢板、设焊炬侧的面为表面时，当在下侧钢板的背面配置背衬金属而从上侧钢板的表面焊接时，限定背衬金属的接触部与下侧钢板的背面的接触位置。
此外，除了上述要件以外，本发明的要件还为：通过将电弧焊接时的电弧发生时间与短路通电时间的比率抑制在一定的范围中，减轻该电弧焊接时的平均的电弧压力。
本发明通过上述两个要件，能够得到规定的背面焊道径及堆高高度，能够得到TSS和CTS两者的强度都良好的焊接接头。
以下，参照附图对本发明的电弧点焊接方法详细地说明。
(背衬金属的接触部与下侧钢板的背面的接触位置的条件)
本发明的发明者们对以焊接金属容易熔落的添加了0.3％C的板厚2mm的钢板为对象进行电弧点焊接的情况下的背面焊道的形成现象进行了研究。这里，作为目标的焊道径为10mm(5t)，堆高高度为1mm(t/2)。
首先，对不使用背衬金属而进行电弧点焊接的情况下的背面焊道的形状进行了研究。图2是表示不使用背衬金属的电弧点焊接方法的一例的图。这样，在不使用背衬金属而进行电弧点焊接的情况下，如果想要使两者的钢板充分地熔融，则背面焊道较大地垂下，不能得到作为目标的堆高高度。
接着，对使用各种各样的形状的背衬金属进行电弧点焊接的情况下的背面焊道的形状进行了研究。
图3是表示使用没有凹陷的背衬金属的电弧点焊接方法的一例的图。
这样，如果使没有凹陷的背衬金属4密接在下侧钢板背面上而进行电弧点焊接，则背面焊道不能垂下，不能得到作为目标的堆高高度。此外，在背衬金属的热排散的影响下，背面焊道的直径变小。
图4是表示使用有凹陷的背衬金属的电弧点焊接方法的一例的图。图4为了实现背面焊道形状的适当化，使背衬金属4的凹部的直径为10mm，深度为1mm。如果使这样的有凹陷的背衬金属4密接在下侧钢板背面上而进行电弧点焊接，则堆高高度扩大到1mm左右，得到了作为目标的堆高高度。但是，在背衬金属的热排散的影响下，背面焊道径为4mm左右较小。
图5是表示使用将凹陷的直径扩大的背衬金属的电弧点焊接方法的一例的图。图5为了使背衬金属4与下侧钢板背面的接触面积变小、抑制背衬金属4的热排散、扩大背面焊道的径，将背衬金属的凹部的直径扩大到15mm。如果使这样的有凹陷的背衬金属4密接在下侧钢板背面上而进行电弧点焊接，则背面焊道径为10mm左右、堆高高度为1mm左右，得到了作为目标的焊接部形状。
这样得到了作为目标的背面焊道形状，不是缘于在背衬金属上设置凹陷，而是缘于扩大了凹陷的直径，抑制了熔融区域附近的背衬金属的热排散。如此这样，为了抑制背衬金属的热排散，可以考虑背衬金属与下侧钢板背面不接触的形态。但是，为了钢板的支承及背衬金属的定位，需要使背衬金属与下侧钢板背面接触。所以，配置背衬金属以使背衬金属的接触部在从背面焊道离开的位置与下侧钢板背面接触、抑制背衬金属的热排散是有效。
以上，总结研究结果，如下所述。
以使背衬金属的接触部在比作为目标的背面焊道靠外侧的位置、即距离作为目标的背面焊道的等价圆中心为该等价圆直径(W)左右以上的位置与钢板背面接触的方式来配置背衬金属，由此能够得到作为目标的背面焊道形状。此外，在本电弧点焊接法中，作为目标的背面焊道的直径相对于板厚t(mm)(在两片以上的钢板的板厚不同的情况下设表侧钢板或背侧钢板中较薄的钢板的板厚为t)是3～10t的范围。因此，为了实现作为下限的3t的焊道直径，需要将背衬金属的接触部设定在距背面焊道的等价圆中心至少超过3t的位置。
(电弧发生条件)
如上述那样，通过将设在背衬金属上的凹陷的直径扩大，熔融区域附近的背衬金属的热排散被抑制，能够将背面焊道形状扩大。但是，根据设定的焊接条件，如图17所示，发生背面焊道没有充分融合在钢板背面上而形成边界面的融合不良30。特别是，在重叠后的下侧钢板的背面与背衬金属的间隙超过某个钢板的厚度t的情况下，如果用标准的直流电弧焊接法或脉冲MAG焊接法进行电弧点焊接，则容易发生这样的融合不良。
图18中(a)是概略地表示标准的电弧焊接法的焊接的初期的焊接部分的状态的剖视图。如图18中(a)所示，在标准的电弧焊接法中，在电弧点焊接的初期，熔融金属熔落到钢板背面上而与背衬金属的表面接触(标号40)，熔融金属被背衬金属冷却。这样，即使背面焊道的直径扩大，也不能使背面焊道与钢板背面熔融一体化，所以不能得到充分的接合强度的改善效果。
熔融金属的熔落除了熔融金属本身的重力以外，上述电弧压力也有影响。所以，可以想到如果使电弧焊接过程中的电弧发生时间的比率变小，则平均性的电弧压力被减轻，如图18中(b)所示那样能够防止电弧点焊接初期的熔融金属的熔落，能够在使钢板背面熔融的同时将背面焊道径扩大。在图18中(b)的情况下，熔融金属与背衬金属的表面接触的部分(标号50)被抑制在最小限度，所以能够防止熔融金属的冷却。
为了使电弧焊接过程中的电弧发生时间的比率变小，积极地使焊丝与母材接触、增加短路通电时间是有效的。作为其手段，使用能够以几十Hz的周期控制电弧发生时间及短路通电时间的冷金属过渡(Cold Metal Transfer)电源(以下，简单称作“CMT电源”)进行了研究。上述CMT电源如图19所示，一边将焊丝的进给控制为前进、后退，一边进行电弧焊接，通过焊接条件的设定，能够连续地交替进行电弧发生及短路通电，控制电弧发生时间及短路通电时间的比率。另外，所谓上述短路通电时间，是指焊接电压为10V以下的时间。
本发明的发明者们使用上述CMT电源对板厚1.0mm、1.6mm及2.3mm的钢板进行各种焊接，调查了焊接时的短路时间率与融合不良发生的关系。将其结果表示在图20中。在图20中，“○”对应于能够确认背面焊道与钢板背面熔融一体化的熔融状态良好的焊接，“×”对应于能够在背面焊道与钢板背面之间确认边界面的熔融状态不良的焊接。另外，关于图20，“短路时间率＝0(％)”的焊接的评价使用脉冲MAG焊接而进行，0(％)<短路时间率<30(％)的范围中的焊接的评价使用短电弧焊接而进行，30(％)<短路时间率的范围中的焊接的评价使用CMT焊接而进行。
另外，上述所谓“短路时间率”是指，实施当交替地连续反复进行焊丝及上侧钢板间的电弧发生、和焊丝及上侧钢板间的焊接电压为10V以下的短路通电时，在1次电弧点焊接的电弧发生时间及短路通电时间中短路通电时间所占的比例。此外，将不中断地连续进行上述电弧发生及上述短路通电的交替反复，在本发明中设为“1次电弧点焊接”。
如图20所示，能够制作出短路时间率为30％以上、在背面焊道部没有融合不良的焊接部。但是，如果使短路时间率为60％以上，则焊接现象本身变得不稳定，不能实施焊接。由此，在本发明中，短路时间率需要设定为超过30％且不到60％。
在焊接条件的观点下，如果短路时间率增加，则焊接电压相对于焊接电流的比率下降。在将本发明的被焊接件的电弧点焊接的焊接电流设定为150A～250A的范围的情况下，如果短路时间率是20％左右以下，则焊接电压/焊接电流为0.11～0.15左右。相对于此，在将上述焊接电流设定为上述范围、并且将短路时间率设定为30％以上的情况下，焊接电压/焊接电流成为0.07～0.10的范围。如此这样，为了进行没有融合不良的焊接，需要根据短路时间率的设定范围来规定焊接电压/焊接电流的范围。
本发明经过以上那样的研究过程达到了上述(1)所记载的发明，关于这样的本发明，进而对必要的要件及优选的要件依次进行说明。
(被焊接件)
在本发明的电弧点焊接方法中，作为被焊接件的钢板1，不论是何种成分的钢板都能够被使用。特别是，在C量为0.2质量％以上的中高碳钢板中，由于熔融金属容易较大地垂下到重叠的钢板的背面，所以使用本发明是有效的。
作为被焊接件的高强度钢的钢种及成分没有被特别限定，例如可以是2相组织型(例如，包括铁素体和马氏体的组织，包括铁素体和贝氏体的组织)、加工诱发变质型(包括铁素体和残留奥氏体的组织)、微细结晶型(铁素体主体组织)等，任一型式的钢板都可以。不论是由哪种钢种构成的高强度钢板，通过应用本发明，都能得到TSS和CTS两者都良好的电弧点焊接接头。
钢板的板厚以至少重叠部的板厚处于0.5～3.0mm的范围的钢板为对象。在板厚不到0.5mm时，不能确保作为基本性的部件的强度及刚性。另一方面，在板厚超过3.0mm时不能达到实现高强度化和薄板化这两方面的目的。
组合的钢板并不限定于相同的钢种或相同的板厚的板材，只要能够满足上述C量的条件而进行电弧点焊接，就能够适当组合，重叠的片数没有被限定。此外，焊接的钢板的形状也只要至少重叠的部分是板状就可以，整体也可以不是板，例如也包括从钢板成形为特定的形状的冲压零件等。此外，并不限定于将不同的钢板重叠的情况，也可以是将1片钢板成形为管状等的规定的形状、将端部重叠的结构。
(重叠部的形态)
图6是表示上侧钢板的焊接部位的贯通孔的有无的一例的图。在将两片钢板的重叠部通过电弧点焊接进行重叠焊接的情况下，有如图6中(a)那样在面对焊炬的上侧钢板21的焊接部位预先形成贯通孔5而焊接的方法、和如图6中(b)那样不形成孔而仅单单通过重叠来焊接的方法。本发明在任一情况下都能够应用。
为了熔融到重叠的下侧钢板22、在其下表面(背面)上形成充分的厚度的堆高部，当面向焊炬的上侧钢板21的板厚为1.6mm以上时，也可以在焊接部位上预先形成贯通孔5。在不形成贯通孔5的情况下，需要使焊接时间变长而使焊接热输入增大，有生产性下降的问题。另一方面，当上侧钢板21的板厚为不到1.6mm时，由于由电弧进行的钢板的贯通较容易，所以不需要贯通孔5。但是，在尤其需要使热输入变小的情况下，即使上侧钢板21的板厚不到1.2mm，也可以形成贯通孔5。
在开设贯通孔5的情况下，贯通孔5的直径D(mm)相对于上侧钢板21的板厚t1(mm)的比(D/t1)为10以下。由此，能够在使焊道贯通到下侧钢板的背面的同时，稳定地进行电弧点焊接。如果D/t1超过10，则为了使贯通孔5的孔端充分地熔融，需要使焊炬以较大的振幅揺动。因此，焊接时间变长或焊接热输入增大，焊接变形有可能变得显著。或者，如果不使焊炬揺动，则有可能将孔端熔损，特别是CTS有可能下降。另外，为了充分得到开设贯通孔5的效果，优选的是将D/t1的值设为1以上。
(焊接工序)
关于将重叠的钢板焊接的顺序，分为有贯通孔5的情况和没有贯通孔5的情况进行说明。此外，电弧点焊接的工序既可以为1道，也可以分为两道。在以1道进行时，熔融到下侧钢板22的背面，在背面上形成需要的高度的堆高部，并且将上侧钢板21熔化而形成上侧的堆高部。当分为两道时，进行形成第1焊接金属的第1焊接道，接着，在第1焊接金属的表面凝固后，进行在第1焊接金属上同样形成第2焊接金属的第2焊接道。
(1)在上侧钢板上有贯通孔的情况下
首先，穿过贯通孔5，从焊丝朝向下侧钢板22的表面产生电弧，在使下侧钢板22熔融到背面的同时，将贯通孔5用熔融金属填埋，得到电弧点焊接接头。
(2)在上侧钢板上没有贯通孔的情况下
基本的焊接次序及各焊接道的条件与形成贯通孔5的情况相同，但为了使上侧钢板21熔融，如果以相同的板厚彼此比较，则与形成了贯通孔5的情况相比需要提高热输入量而焊接。
因此，如果要焊接的板材的板厚变厚，则为了熔融到背面所需要的热输入量增大，有焊接金属的焊接变形变得显著的情况。所以，在上侧钢板21上没有形成贯通孔5的情况下，优选的是用比较薄的板厚的钢板实施。在本发明的发明者们的研究中，确认了在重叠的板材的合计的板厚是约3mm以下时，能够在较宽的热输入条件范围中得到作为目标的焊接金属的形状。
(焊接条件)
电弧点焊接时的电流、电压条件，只要根据要焊接的板材的厚度等适当采用适合的条件、以交替地进行电弧发生及短路通电、使得焊丝与上侧钢板的短路通电时间超过30％且不到60％就可以。此外，保护气体的种类也没有被特别限定，例示了通常的Ar与30体积％以下的CO2的混合气体，但在使CO2气体的混合量为2～20体积％的情况下，由于尤其能够抑制焊道的滴落，所以第1焊接道优选的是以该保护气体条件进行焊接。
在电弧点焊接中使用的焊丝其成分及直径等没有被特别限定，例如可以是由JISZ 3312或JIS Z 3313等规定的焊丝等，只要从以往周知的型号中选择使用以形成与需要的接头强度对应的强度的焊接金属就可以。
(焊道形状)
为了使十字拉伸强度(CTS)提高，将形成在背面上的焊道的等价圆的直径(焊道径)W相对于板厚t(mm)形成在3t～10t(mm)的范围。另外，在重叠的多个板材的板厚不相同的情况下，t为最薄的板材的板厚。在焊道径不到3t时，焊道较小，不能得到与板材的强度相符的接头强度。为了确保强度，优选的是焊道径较大，优选的是形成为，使上述直径W为5t以上。此外，在该焊道径超过10t的大小时，焊接时间变长，通过热输入量的增加而焊接金属垂下，焊接变形有可能变得显著。
背面焊道的堆高部的高度h相对于钢板的板厚t(mm)形成为0.2t(mm)以上3t(mm)以下。在堆高部的高度不到0.2t时，堆高部较低而不能得到充分的接头强度。另外，在重叠的板材的板厚不同的情况下，t为最薄的板材的板厚。为了确保强度，堆高高度优选的是较大，上述高度h优选的是形成为0.5t以上。但是，在堆高部的高度超过3t的大小时，焊接金属垂下，焊接变形有可能变得显著。
(背衬金属)
背衬金属与钢板背面接触的接触部优选的是距作为目标的背面焊道的等价圆中心为其等价圆直径(W)左右以上，以形成直径3t以上的背面焊道为前提，只要是能够使得与钢板背面接触的位置距背面焊道的等价圆中心超过3t的形状即可，没有特别限定。以下，关于能够在本发明的电弧点焊接中使用的背衬金属，依次说明背衬金属的凹陷的形状、背衬金属的接触部、背衬金属的材质。
(1)背衬金属的凹陷的形状
背衬金属的凹陷的形状在背衬金属的垂直剖视图中，能够采用矩形状、圆弧状等任一形状。
图7是表示从垂直截面观察的形状是长方体状的有凹陷的背衬金属的一例的图。图7中(a)的上方的图是背衬金属的平面图，下方的图是A－A垂直剖视图。此外，图7中(b)表示使用图7中(a)的背衬金属的电弧点焊接后的剖视图。但是，图7中(b)是与图5相同的图。该背衬金属4如图7中(a)的垂直剖视图所示，使凹陷形状为矩形状。此外，背衬金属4的接触部6和钢板背面为在距背面焊道的等价圆中心7比3t远的位置接触的形状。因此，如在图5的说明中表示那样，通过使用了该背衬金属的电弧点焊接，得到了作为目标的焊接部形状。
图8是表示有半球状的凹陷的背衬金属的一例的图。图8中(a)的上方的图是背衬金属的平面图，下方的图是A－A垂直剖视图。此外，图8中(b)表示使用图8中(a)的背衬金属的电弧点焊接后的剖视图。该背衬金属4如图8中(a)的垂直剖视图所示，使凹陷形状为圆弧状。并且，如果使该背衬金属4的凹陷的半径为3t左右以上、使凹陷深度D为0.2t左右的大小而进行电弧点焊接，则得到了背面焊道径为3t以上左右、堆高高度为0.2t左右的作为目标的背面焊接部形状。进而，如图8中(b)所示，得到了缝边部(日语：止端部)的上升角较小的背面焊道形状。
这样，在垂直截面中，如果将使用具有矩形形状和圆弧状的凹陷的背衬金属4得到的背面焊道进行比较，则使用有圆弧状的凹陷的背衬金属4得到的背面焊道其缝边部的上升角度变小。并且，如果背面焊道的缝边部的上升角度较小，则疲劳强度提高，所以优选的是使背衬金属4的凹陷为圆弧状。
此外，在背衬金属4的垂直剖视图中，优选的是做成至少与背面焊道的等价圆中心7对置的、背衬金属4的不与钢板背面接触的非接触部8和接触部6在高度方向上的距离D为0.2t～3t的背衬金属形状。由于堆高高度和距离D大致为同样的值，所以通过设距离D为0.2t～3t，能够使堆高高度成为作为目标的0.2t～3t。
(2)背衬金属的接触部
背衬金属的接触部与钢板背面的接触可以采用点状接触、线状接触或面状接触的至少1种。
图9是表示背衬金属的一例的图。图9中(a)的上方的图是具有与钢板背面点状接触的接触部的背衬金属的平面图，下方的图是该背衬金属的侧视图。此外，图9中(b)是具有与钢板背面线状接触的接触部的背衬金属的平面图，下方的图是该背衬金属的A－A垂直剖视图。
如图9中(a)所示，如果使背衬金属4与钢板背面的接触为点状接触，则接触面积变小，熔融区域附近的由背衬金属带来的热排散减少，所以能够容易地将背面焊道的直径扩大为目标直径。在该图中，设圆柱前端的半球状体的顶点为接触部6，但只要具有能够作为背衬金属4利用的强度，可以采用使接触部6为圆锥状体的顶点等任何的形式。此外，在平面图中，设接触部为3点，但也可以由4点以上构成。
如图9中(b)所示，如果使背衬金属4与钢板背面的接触为线状接触，则接触面积变得比点状接触大，但由于熔融区域附近的由背衬金属带来的热排散充分减少，所以能够将背面焊道的直径扩大为目标的直径。另一方面，从接触部6的强度这一点看，优选的是线状接触。在该图中，在垂直剖视图中将长方体前端的圆弧状体的顶点作为接触部6，但只要具有能够作为背衬金属利用的强度，也可以采用使接触部6为三角形状的顶点等任何的方式。此外，在平面图中，使接触部6为两条直线状，但也可以由3条以上构成，也可以做成折线或曲线。
图10是表示具有与钢板背面面状接触的接触部的背衬金属的一例的图。图10中(a)的上方的图是具有矩形接触面的接触部的背衬金属的平面图，下方的图是该背衬金属的A－A垂直剖视图。此外，图10中(b)是具有有凹部的矩形状接触面的接触部的背衬金属的平面图，下方的图是该背衬金属的A－A垂直剖视图。
图7、图8及图10所示的背衬金属4都使背衬金属4与钢板背面的接触为面状接触，但图7及图8所示的背衬金属4相对于接触面以相同面相连，相对于此，图10所示的背衬金属其接触面被用相同面划分。通过这样，与图7及图8所示的背衬金属4相比，图10所示的背衬金属4的接触面积变小，熔融区域附近的由背衬金属4带来的热排散减少，所以能够将背面焊道的直径扩大为目标的直径。在该图中，在平面图中将两面的矩形接触面作为接触部6，但也可以采用使接触部6为3面以上、为圆状、三角状的任何的形式。
另外，并不限于图7～图10所示的实施方式，也可以采用将各种各样的背衬金属4的凹陷的形状与接触部6的形态组合的形态，也可以在1个背衬金属4中组合采用点状接触、线状接触及面状接触。
(3)背衬金属的材质
背衬金属4可以由铜或铜合金、或钢、陶瓷形成。此外，也可以采用在铜或铜合金的背衬金属与钢板的接触部配置热传导较低的陶瓷等的组合。但是，从加工性这一点上，铜或铜合金是优选的。
另外，在电弧点焊接后不将背衬金属拆下、而使钢板、焊道及背衬金属作为一体的构造来使用的情况下，在背衬金属的材质中也可以使用钢。例如，如图21所示，在钢管60内预先固定背衬金属4而进行电弧焊接的情况下，优选的是使该背衬金属4为钢制。另外，在使背衬金属的材质为钢的情况下，也为了将钢板的背面侧的焊道形状扩大而需要如上述那样规定凹陷的形状、背衬金属的接触部。
此外，在进行焊接以使背面焊道的等价圆的直径(焊道径)W成为超过5t且10t以下时，优选的是使背衬金属4的材质为铜、铜合金或钢、使背衬金属4的接触部6与钢板背面的接触为面状接触。如果使背面焊道的等价圆径W变大，则背衬金属4的接触部6之间的距离远离，所以背衬金属4的接触部6的强度下降。因此，优选的是使背衬金属4的材质为铜、铜合金或钢，使背衬金属4的接触部6与钢板背面的接触为面状接触。
(背衬金属的接触部与钢板背面的接触面积)
优选的是使背衬金属4的接触部6与钢板背面的接触面积为10cm2以下。为了抑制熔融区域附近的由背衬金属4带来的热排散而容易地得到作为目标的背面焊道形状，优选的是使接触面积变小。更优选的是5cm2以下。
(电弧发生及短路通电的条件)
如上述那样，在本发明中，需要将电弧发生及短路通电不中断地交替地连续反复，以使焊接电压为10V以下的短路通电时间在每通电1周期中超过30％且不到60％。在这样将电弧发生及短路通电连续地反复的期间、即1次电弧点焊接期间中，优选的是设为1秒以上且3秒以下。
本发明的电弧点焊接方法也可以一边反映或反馈焊接状态一边实施。因此，1次的电弧点焊接期间中的各周期的电弧发生期间既可以相同也可以不同，1次的电弧点焊接期间中的各周期的短路通电期间既可以相同也可以不同。但是，优选的是设定各周期的电弧发生期间及短路通电期间以使各周期成为5msec以上且20msec以下。
接着，参照附图对本发明的电弧点焊接装置详细地说明。
图11是表示电弧点焊接装置的一例的图。汽车部件在几乎全部情况下被使用焊接机器人焊接。因此，优选的是使用背衬金属4和焊炬2为一体的装置进行有效率的焊接作业。如图11所示，在多关节机器人的前端设置有一对的背衬金属4和焊炬2。机器人手臂9和背衬金属4的相对位置被固定。用机器人手臂9的动作将背衬金属4配置在规定的钢板背面位置，然后，焊炬2下降到规定的位置而进行焊接。
在将实际的零件焊接的情况下，有由于部件的精度不良在钢板背面与背衬金属之间发生间隙的情况。图12是表示背衬金属的设置角度调整机构的一例的图。这样，能够经由弹簧10调整背衬金属4相对于钢板背面的设置角度。设置角度调整机构并不限定于弹簧10，只要能够调整使载置台能够旋转等的设置角度，采用任何的机构都可以。
图13是表示上侧钢板的推压机构的一例的图。这样，可以设置配合焊炬2的下降而将上侧钢板21推压、在与背衬金属之间将上侧钢板21和下侧钢板22夹住那样的机构，从而能够将上侧钢板21与下侧钢板22之间的间隙消除。上侧钢板21的推压机构11并不限定于设在焊炬2上的装置，也可以是设在能够向推压方向移动的机器人手臂9上的装置等，只要能够将上侧钢板21推压，采用任何机构都可以。
实施例
接着，对本发明的实施例进行说明，但实施例中的条件是为了确认本发明的可实施性及效果而采用的一条件例，本发明并不限定于该一条件例。本发明只要能够不脱离本发明的主旨而达到本发明的目的，可以采用各种各样的条件。在表1中表示使用的高强度钢板的板厚、拉伸强度及成分組成。
从表1所示的钢板切割出试验用钢板。在试验用钢板背面配置铜的背衬金属，对于钢板，在表2－1所示的焊接热输入及表2－2所示的焊接电流、焊接电压、焊接时间、电弧发生及短路通电的条件下进行电弧点焊接，制作出试验号码1～22的试验片。此外，使用20体积％CO2气体、其余部分Ar气体的混合气体作为保护气体。试验号码1～3是不使用背衬金属而制作的试验片，试验号码4～17是使用铜制的背衬金属而制作的试验片，试验号码18～22是使用钢制的背衬金属而制作的试验片。另外，在试验号码1～22的任一个的制造中，电弧点焊接期间的各周期的电弧发生期间及短路通电期间都设定为5msec以上且20msec以下。
表2－1的项目“背衬金属凹陷半径”，表示从背面焊道的等价圆中心到与下侧钢板的背面接触的背衬金属的接触部的距离，项目“背衬金属凹陷深度d”，表示与背面焊道的等价圆中心对置的背衬金属的非接触部与背衬金属的接触部在高度方向上的距离(即，下侧钢板与背衬金属的非接触部间的间隙)。此外，在表2－1的项目“钢板背面与背衬金属的接触形态”中，所谓“面接触”，是指使用如图7所示那样具有被闭曲线包围的凹陷、具有沿着该凹陷的外周与钢板背面面接触的形状的背衬金属。所谓“3点接触”，是指使用如图9中(a)所示那样用在其表面上的3个部位立设的柱状的接触部6的顶部的3点支承、在与钢板背面之间确保“上述背衬金属凹陷深度d”的间隙的构造的背衬金属。此外，“两条线接触”的记载，是如图9中(b)所示那样在其表面上隔开一定的间隔相互平行地立设的壁上的接触部6的顶部的支承，使用在与钢板背面之间确保“上述背衬金属凹陷深度d”的间隙的构造的背衬金属。
【表1】
【表2-1】
【表2-2】
对于以上的试验片，首先通过目视确认焊道的形状，并且测量背面焊道径W及堆高高度h。
使用铜制背衬金属的情况下的背面焊道径W是在俯视中测量等价圆直径，堆高高度h，是将焊接部在俯视时焊道径大致为最大的方向上切断，并对该截面的照片摄影后，通过图像解析装置求出该截面的最大高度作为堆高高度。另一方面，使用钢制的背衬金属的情况时，由于背衬金属与钢板熔融，所以背衬金属和焊道一体地形成。因此，使用焊接部的截面图像，求出钢板背面的焊道的宽度的最大值，将该最大值定义为背面焊道径W，将最大熔融深度定义为堆高高度h。
在表3中表示背面焊道径W、堆高高度h。
十字拉伸试验用的试验片基于点焊接接头的十字拉伸试验方法(JIS Z3137)，以图14所示那样的十字状将各钢板叠合，在背面上配置背衬金属，通过电弧点焊接法将试验片重叠焊接，制作出十字拉伸试验片。此时，作为焊丝而使用在JIS Z3312中记载的YGW17。
此外，剪切拉伸试验用的试验片也同样，基于点焊接接头的剪切拉伸试验方法(JIS Z3136)，如图15所示那样平行地将各试验片重叠，在背面上配置背衬金属，通过电弧点焊接法将试验片彼此焊接，制作出剪切拉伸试验片。
接着，关于十字拉伸试验片，基于JIS Z3137实施十字拉伸试验，测量出十字拉伸强度(CTS(单位千牛顿))。此外，关于剪切拉伸试验片，基于JIS Z3136)，实施剪切拉伸试验，测量出剪切拉伸强度(TSS(单位千牛顿))。在表3中表示十字拉伸强度、剪切拉伸强度。
在表3所示的结果中，试验号码1～5、15～19及22是比较例，试验号码6～14、20、21是发明例。
试验号码6～14的试验片是使用凹陷半径比3t大的铜制背衬金属制作的本发明例。根据这些发明例，由于背衬金属的接触部在距作为目标的背面焊道的等价圆中心超过3t的位置与钢板背面接触，所以能得到作为目标的背面焊道径及堆高高度，能够确认能得到十字拉伸强度及剪切拉伸强度两者都良好的焊接接头。此外，由于试验号码20、21的试验片也使用在本发明中规定的形状的钢制背衬金属而制作，所以得到了良好的十字拉伸强度及剪切拉伸强度。
另一方面，试验号码1的试验片没有形成背面焊道。试验号码2及3的试验片有焊接金属熔落。试验号码4及5的试验片使用凹陷半径比3t小的背衬金属而制作。这样，试验号码4及5的试验片由于是在钢板背面与背衬金属的接触部的接触位置不满足在本发明中规定的范围的条件下制作的，所以不能得到作为目标的背面焊道径及堆高高度，不能得到具有充分的十字拉伸强度及剪切拉伸强度的焊接接头。
此外，使用钢制背衬金属的试验号码18及19的试验片是使用凹陷半径比3t小的背衬金属而制作的。这样，试验号码18及19的试验片由于是在钢板背面与背衬金属的接触部的接触位置不满足在本发明中规定的范围的条件下制作的，所以背面焊道径较小，不能得到作为目标的接头强度。另外，接头强度的判定用拉伸剪切载荷TSS进行，在为由JIS Z3140规定的点焊接的拉伸剪切载荷(钢)A级的2倍以上的值、即板厚1.6mm的钢板中将20kN以上作为合格，在板厚1mm的钢板中将10kN以上作为合格。
试验号码15～17及22的试验片表示焊接条件下的短路时间率或焊接电流与焊接电压的比不满足本发明的规定范围的情况下的结果。试验号码15、16、22的试验片由于短路时间率较小，所以在焊接开始的同时，溶融金属熔落到背衬金属上，将背面焊道与钢板背面熔融一体化变得不充分，所以不能得到充分的接合强度的改善效果。试验号码19由于短路时间率较大，所以不能实施稳定的焊接，钢板背面为未熔融，不能得到充分的接合强度的改善效果。
【表3】
产业上的可利用性
根据本发明，即使在各种成分的高强度钢板的焊接中，也能不降低焊接部的韧性和延展性而得到TSS和CTS两者都优良的电弧点焊接接头，因此，通过在汽车用部件的制造及车体的组装等工序中适用本发明，能够制造强度更加优良的部件，有利于提高汽车的安全性。因此，本发明在产业上有很高的可利用性。
附图标记的说明
1 钢板(被焊接件)；
21 上侧钢板；22 下侧钢板；
2 焊炬；
3 焊丝；
4 背衬金属；
5 贯通孔；
6 接触部；
7 背面焊道的等价圆中心；
8 非接触部；
9 机器人手臂；
10 弹簧；
11 推压机构；
30 融合不良部分；
40 与背衬金属接触的熔融金属部分；
50 熔融金属部分的最下部；
W 背面焊道径；
h 堆高高度；
D 背衬金属非接触部与钢板背面的间隔；
WB 焊道。

Claims (11)

1.一种电弧点焊接方法，将含碳0.2质量％以上的多个钢板重叠地配置，进而将背衬金属接触配置在与焊炬相反侧的下侧钢板从而进行重叠焊接，该电弧点焊接方法的特征在于，
上述背衬金属具备与上述下侧钢板对置且不与上述下侧钢板接触的非接触部、和与上述下侧钢板接触的接触部，以使上述接触部在距背面焊道的等价圆中心超过3t的位置与下侧钢板接触的方式配置背衬金属；
以使焊接电压为10V以下的短路通电时间在通电每1周期中为超过30％且不到60％的方式交替地连续反复进行电弧发生及短路通电，
其中，t为上述多个钢板中的板厚最薄的钢板的板厚。
2.如权利要求1所述的电弧点焊接方法，其特征在于，
交替地连续反复进行电弧发生及短路通电的期间中的电弧点焊接期间中的平均焊接电压/平均焊接电流的值是每1周期0.07～0.10V/A，其中，平均焊接电压的单位为V，平均焊接电流的单位为A。
3.如权利要求1或2所述的电弧点焊接方法，其特征在于，
设1周期为5msec～20msec，在该周期的期间中进行电弧发生及短路通电。
4.如权利要求1～3中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，
上述接触部将上述下侧钢板的背面与上述非接触部的间隙维持为0.2t～3t。
5.如权利要求1～4中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，
形成背面焊道，该背面焊道具有3t～10t的等价圆径的焊道径，并且具有0.2t～3t的堆高高度。
6.如权利要求1～5中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，
使上述接触部与上述下侧钢板的背面的接触为点状接触、线状接触及面状接触中的至少任一种。
7.如权利要求1～6中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，
当形成上述背面焊道的等价圆的焊道径超过5t的背面焊道时，将上述背衬金属用铜或铜合金形成，使上述接触部与上述下侧钢板的背面的接触为面状接触。
8.如权利要求1～6中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，
当形成上述背面焊道的等价圆的焊道径超过5t的背面焊道时，将上述背衬金属用钢材形成，使上述接触部与上述下侧钢板的背面的接触为面状接触。
9.如权利要求1～8中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，
使上述接触部与上述下侧钢板的背面的接触面积为10cm2以下。
10.一种电弧点焊接装置，执行权利要求1～9中任一项所述的电弧点焊接方法，其特征在于，
具备背衬金属，所述背衬金属具有：
非接触部，从上述下侧钢板的背面离开地被配置；以及
接触部，在距上述背面焊道的等价圆中心超过3t的位置与下侧钢板的背面接触，在上述下侧钢板的背面与上述非接触部之间维持0.2t～3t的间隙。
11.如权利要求10所述的电弧点焊接装置，其特征在于，
上述电弧点焊接装置是搭载有焊炬和上述背衬金属的焊接机器人。
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